¿Por qué es bueno ralentizar las líneas digitales con resistencias?

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He oído que a veces se recomienda "ralentizar" una línea digital colocando una resistencia, digamos una resistencia de 100 ohmios entre la salida de un chip y la entrada de otro chip (asuma la lógica CMOS estándar; asuma el la velocidad de señalización es bastante lenta, digamos 1-10 MHz). Los beneficios descritos incluyen EMI reducida, diafonía entre líneas reducida y rebotes de tierra reducidos o caídas de voltaje de suministro.

Lo desconcertante de esto es que la cantidad total de energía utilizada para cambiar la entrada parecería ser un poco más alta si hay una resistencia. La entrada del chip que se maneja es equivalente a algo así como un condensador de 3-5 pF (más o menos), y cargar eso a través de una resistencia toma la energía almacenada en la capacitancia de entrada (5 pF * (3 V) 2 ) y la energía disipada en la resistencia durante la conmutación (digamos 10 NS * (3 V) 2 /100 ohm). Un cálculo de fondo muestra que la energía disipada en la resistencia es un orden de magnitud mayor que la energía almacenada en la capacitancia de entrada. ¿Cómo tener que conducir una señal mucho más fuerte reduce el ruido?

Alex I
fuente
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"¿Cómo tener que conducir una señal mucho más fuerte reduce el ruido?" No lo maneja "mucho más duro" para obtener estos beneficios, por ejemplo, reducción de EMI. Lo manejas igual que antes (sin resistencia). Usted dimensiona el filtro (resistencia) de acuerdo con el roll-off deseado. Ver onsemi.com/pub_link/Collateral/AND8200-D.PDF
Fizz
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Para agregar a lo que explicaron Andy y Dimitry (que son correctos en términos de magnitud y (en cierto modo) frecuencia de la velocidad de borde (no la velocidad de bits o la frecuencia de conmutación), esta actualización en el fenómeno de Gibbs puede ser útil en.wikipedia .org / wiki / Gibbs_phenomenon
cowboydan

Respuestas:

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Piense en una conexión de PCB (o cable) entre una salida y una entrada. Básicamente es una antena o radiador. Agregar una resistencia en serie limitará la corriente máxima cuando la salida cambia de estado, lo que provoca una reducción en el campo magnético transitorio generado y, por lo tanto, tenderá a reducir el acoplamiento a otras partes del circuito o al mundo exterior.

FEM inducida no deseada = NdΦdt

"N" es uno (giro) en el caso de interferencia simple entre (digamos) dos pistas de PCB.

El flujo ( ) es directamente proporcional a la corriente y, por lo tanto, agregar una resistencia mejora las cosas en dos puntos; en primer lugar, la corriente máxima (y, por lo tanto, el flujo máximo) se reduce y, en segundo lugar, la resistencia reduce la velocidad de cambio de corriente (y, por lo tanto, la velocidad de cambio de flujo) y claramente esto tiene un resultado directo sobre la magnitud de cualquier inducido emf porque emf es proporcional a la tasa de cambio de flujo.Φ

Luego, considere el tiempo de aumento del voltaje en la línea cuando se aumenta la resistencia: el tiempo de aumento se alargará y esto significa que se reducirá el acoplamiento del campo eléctrico a otros circuitos. Esto se debe a la capacitancia parásita entre circuitos (recordando que Q = CV): -

dqdt=Cdvdt=yo

Si la tasa de cambio de voltaje disminuye, entonces el efecto de la corriente inyectada en otros circuitos (a través de la capacitancia parásita) también disminuye.

En cuanto al argumento de la energía en su pregunta, dado que el circuito de salida inevitablemente tiene cierta resistencia de salida, si hizo los cálculos y calculó la potencia disipada en esta resistencia cada vez que se cargó o descargó la capacitancia de entrada, descubriría que esta potencia no t cambia incluso si el valor de la resistencia cambia. Sé que no suena intuitivo, pero hemos discutido este argumento antes e intentaré encontrar la pregunta y vincularla porque es interesante.

Pruebe esta pregunta: es una de las pocas que cubre el tema de cómo se pierde energía al cargar los condensadores. Hay uno más reciente que intentaré encontrar.

Aqui esta.

Andy alias
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También para ganar en mi comprensión limitada (y / o ponerlo en términos prácticos). ¿Agregar una resistencia en serie "coincide" con la impedancia de la fuente (por ejemplo, Vdrop / Iout del controlador de fuente) con la resistencia + impedancia característica de las trazas de PCB? Por ejemplo, si la fuente es de 100 ohmios típ., Y sus trazas de PCB son características Z = 75 ohmios, agregaría una resistencia de 25 ohmios (5%) para reducir los reflejos.
Hans
@Hans mi respuesta está abordando el problema de la capacitancia de entrada y, como tal, se debe suponer que la longitud de la línea es pequeña en comparación con la longitud de onda de las señales involucradas. En otras palabras, esta respuesta no aborda un problema diferente, a saber, la impedancia característica de una línea de transmisión. Además, si la fuente fuera de 100 ohmios, agregar 25 ohmios hace que la fuente parezca 125 ohmios y no 75 ohmios. ¿Tal vez deberías plantear una nueva pregunta o tal vez he malinterpretado tu comentario?
Andy alias
Gracias, sí, veo que confundí la resistencia al agregarla a la línea en lugar de la fuente. Pero de cualquier manera, creo que tuvieron que coincidir. Era solo algo en mi cabeza que me preguntaba si era el mismo fenómeno. Probablemente lo publicaré como una pregunta dedicada en algún momento pronto.
Hans
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El término correcto para esta función de "desaceleración" es velocidad de respuesta . Agregar una resistencia reduce la velocidad de rotación al formar un filtro RC de paso bajo con la capacitancia de entrada. Puede ver el efecto de tales resistencias en el siguiente oscilograma (la curva verde con una velocidad de respuesta más alta produce mucho más ruido):

ingrese la descripción de la imagen aquí

El aumento de consumo de energía que mencionas no es real. Se necesita la misma cantidad de energía para cargar un condensador, independientemente de qué tan rápido lo esté cargando. La introducción de la resistencia solo hizo visible esta pérdida de energía, mientras que sin la resistencia la misma energía se disipa por las compuertas de salida CMOS.

Dmitry Grigoryev
fuente
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Técnicamente, la velocidad de respuesta no es el término correcto: puede tener un amplificador o un controlador o búfer con una salida limitada de velocidad de respuesta, pero agregar una resistencia para ralentizar una señal rápida es simplemente eso: produce una forma exponencial y el dV / dt no es No se ve obligado a algún límite de velocidad de respuesta.
Andy alias
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La forma exponencial limita dV / dt por la pendiente inicial del exponente, V / (RC). Pero sí estoy de acuerdo con el comentario: los pines de velocidad de rotación lenta no se hacen agregando resistencias a las puertas de velocidad de rotación interna. Se supone que una respuesta ideal de velocidad de respuesta lenta es lineal, no exponencial e independiente de la capacidad de carga.
Dmitry Grigoryev
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Tiempo de subida o velocidad límite, no velocidad de rotación
endolito
@endolith ¿Le gustaría explicar la diferencia entre la velocidad de borde y la velocidad de respuesta? El tiempo de subida es solo voltaje dividido por la velocidad de respuesta, realmente expresan lo mismo en diferentes unidades.
Dmitry Grigoryev
@DmitryGrigoryev Slewing distorsiona las ondas sinusoidales, el filtrado RC no. La velocidad de respuesta en amplificadores operacionales es cuando el límite se está cargando desde una fuente de corriente y se aproxima linealmente al valor final y luego permanece allí. El "tiempo de subida" se aplica a los filtros RC cargados por una fuente de voltaje, produciendo una disminución exponencial que (teóricamente) nunca alcanza el valor final, solo se acerca asintóticamente. radio-electronics.com/images/op-amp-slew-rate-01.gif radio-electronics.com/images/op-amp-slew-rate-02.gif ee.nmt.edu/~wedeward/EE212L/SP15 /RCSquareWaveProbeFig2.gif
endolith
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Es una simplificación excesiva pensar que la resistencia está 'ralentizando' la línea, porque eso no es realmente para lo que está allí, al menos en señalización de alta velocidad, y parece implicar que reduciría o eliminaría la resistencia si quisiera vaya más rápido.

De hecho, es la terminación en serie de la línea de transmisión que representa la pista. Como tal, su valor, más la impedancia de salida del controlador, debe ser igual a la impedancia característica de la pista.

Cuando su conductor lanza un borde hacia abajo de la línea a través de la resistencia, viaja hasta el extremo más alejado a la mitad del voltaje final (porque hay un divisor potencial formado por la impedancia de la fuente y la impedancia de la pista), y luego se refleja en la apertura- circuito representado en el extremo lejano, que duplica su voltaje al nivel completo. La reflexión viaja de regreso a la fuente, en cuyo punto la resistencia de la fuente la termina (a través de la baja impedancia de los controladores de salida).

Por lo tanto, el extremo lejano tiene un borde limpio y agradable, que puede usar de manera segura un retraso de propagación después de que se envió (es decir, lo antes posible), y no hay un conjunto de reflexiones que se mueven hacia atrás y hacia adelante para múltiples tiempos de ida y vuelta, que provoca EMI / diafonía y retrasos.

La desventaja es que si miras a la mitad de la línea, verás una forma de onda escalonada divertida, lo que significa que no siempre es una técnica adecuada para enlaces multipunto. (Ciertamente no relojes multipunto)

Actualizar:

Solo para aclarar, lo que más importa en estas situaciones es el tiempo de subida de su señal, no la frecuencia con la que genera bordes. En un mundo ideal, siempre tendrías controladores que tenían velocidades de borde sensibles a la frecuencia que intentabas transmitir, pero ese no es el caso hoy en día, y si el tiempo de subida de tu controlador es corto, entonces debes pensar zumbido. En una línea de datos, esto podría no importar (aparte de EMI), porque todo se habrá detenido antes del siguiente borde del reloj, pero en un reloj podría ser un desastre de doble reloj, incluso si es un desastre que ocurre solo un millón veces por segundo.

Howard Johnson reconoce que debería simular algo más de 1/6 del tiempo de subida para ver si necesita una terminación. En 1ns, el tiempo de subida es de 150ps, que es aproximadamente una pulgada. Otras personas dicen que cosas como 2 pulgadas por nanosegundo de tiempo de subida es la longitud crítica para necesitar terminación.


fuente
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Si bien se producen reflejos en las líneas de transmisión, para longitudes típicas de trazas de PCB (aproximadamente 10 cm), el reflejo solo duraría decenas de picosegundos, y el hardware que funciona a 1-10 MHz simplemente nunca verá fallas tan rápidas.
Dmitry Grigoryev
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¿Cuál es su derivación de 'decenas de picosegundos'? RTT de más de 10 cm de PCB es más como 1ns, ¿verdad?
Bien, dos veces 10 cm dividido por la velocidad de la luz sería 0.6 ns, por lo que mi estimación estaba muy lejos. Aún así, 1ns es invisible en sistemas con reloj a 1-10 MHz.
Dmitry Grigoryev
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tener que conducir una señal mucho más fuerte

Al revés: la fuerza de accionamiento de una salida digital es una cantidad fija (*) basada en el tamaño de sus transistores de salida. Si tiene demasiada fuerza de accionamiento, obtiene un pulso de corriente grande y corto. Una resistencia lo convierte en un pulso más largo y plano. (Creo que el área bajo el pulso en el gráfico de tiempo actual es constante, pero no he hecho los cálculos).

Cuanto más agudo sea su pulso actual, más tendrá que considerar el sistema como una línea de transmisión. Entonces la resistencia aparece como una resistencia de terminación de fuente.

(*) Puede obtener algunos dispositivos con fuerza de accionamiento conmutable, pero eso solo significa que tienen múltiples transistores de salida por pin.

pjc50
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